[發(fā)明專利]一種由電磁超材料構(gòu)成的低電磁擾動(dòng)原子氣室

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110309287.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113063452A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王琦龍;穆慧惠;翟雨生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/48
• 分類號(hào): G01D5/48
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發(fā)明提供了一種由電磁超材料構(gòu)成的低電磁擾動(dòng)原子氣室。該氣室為由具有特殊電磁性能的超材料鍵合而成的立方氣室，其中平行的第一表面(1)、第三表面(3)由具有理想電導(dǎo)體(PEC)特性的材料構(gòu)成，平行的第二表面(2)、第四表面(4)由具有理想磁導(dǎo)體特性(PMC)的材料構(gòu)成，第五表面(5)為具有高透射性能的玻璃表面，與之相對(duì)的第六表面(6)對(duì)電磁波具有高吸收率(Absorber)特性，若第六表面(6)含石墨烯材料，可利用電壓對(duì)其吸波頻率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)諧。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)的原子氣室，可以有效破壞由于平行玻璃表面在微波電場(chǎng)中形成的法布里?珀羅腔共振條件，從而縮小原子氣室內(nèi)部電場(chǎng)與真實(shí)電場(chǎng)之間的偏差，提高微波測(cè)量準(zhǔn)確度。本發(fā)明還提供了這種原子氣室的加工流程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了一種利用電磁超材料構(gòu)成的低電磁擾動(dòng)原子氣室及加工流程，該發(fā)明適用于基于量子效應(yīng)的量子傳感和精密測(cè)量。

背景技術(shù)

在國(guó)際單位制變革的歷史背景下，依托量子效應(yīng)對(duì)物理量進(jìn)行精密測(cè)量的需求性日益增長(zhǎng)和重要性必要性不斷體現(xiàn)。原子氣室作為量子傳感的核心無(wú)源器件，對(duì)物理量的精密測(cè)量具有十分重要的影響。通常而言，原子氣室由兩部分組成，一部分為由非金屬材料制成的腔體，另一部分為腔體內(nèi)部填充的原子氣體。腔體常通過(guò)玻璃吹制、膠合、玻璃融化粘合、陽(yáng)極鍵合、直接鍵合等工藝制成，通過(guò)預(yù)留孔徑，先將腔體內(nèi)部抽至真空，之后將需要的堿金屬原子填充到腔體當(dāng)中，形成相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，氣室可以根據(jù)測(cè)試需求制成不同的大小和形狀。原子氣體是該器件用于傳感的核心載體，通過(guò)原子與待測(cè)物理量的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物理量地精確測(cè)量，常見(jiàn)填充氣體為堿金屬原子氣體。原子氣室在原子磁量計(jì)、原子鐘、原子陀螺儀、微波傳感等量子精密測(cè)量領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。

利用微波電場(chǎng)與堿金屬原子的高能態(tài)能級(jí)(里德堡能級(jí))之間的量子相干效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微波電場(chǎng)的高靈敏度、高準(zhǔn)確性測(cè)量。這種基于量子效應(yīng)的全新測(cè)量方法，可將電場(chǎng)強(qiáng)度直接溯源到普朗克常數(shù)，打破了傳統(tǒng)微波測(cè)量的技術(shù)瓶頸，該方法在高精密測(cè)量和軍事領(lǐng)域具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。

封裝著工作原子的原子氣室，雖然是無(wú)源器件，但是會(huì)影響到量子傳感的電磁特性以及測(cè)量的準(zhǔn)確性。其原因主要包括兩個(gè)方面，第一是原子在腔體內(nèi)部分布不均勻，第二是原子氣室本身的問(wèn)題。原子氣體在腔體內(nèi)部的分布受到溫度、壓強(qiáng)等因素的影響，原子氣體由于環(huán)境的變化會(huì)出現(xiàn)聚集和凝結(jié)等現(xiàn)象，從而對(duì)傳感特性產(chǎn)生影響。原子氣室由于加工技術(shù)及材料等問(wèn)題，氣室室壁可能會(huì)存在構(gòu)造缺陷，該缺陷和氣室頂角部分會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生散射效應(yīng)導(dǎo)致氣室內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度、極化分布與入射電磁場(chǎng)存在差異，即與原子相互作用的電磁場(chǎng)與真正的待測(cè)電場(chǎng)具有偏差。另外，由于氣室具有平行的表面，當(dāng)電磁波入射時(shí)，會(huì)形成法布里-珀羅諧振腔產(chǎn)生共振，也會(huì)導(dǎo)致氣室內(nèi)部電磁場(chǎng)不同于外部電磁場(chǎng)。

綜述所述，如何降低由于氣室本身的腔體諧振和電磁散射效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)帶來(lái)的擾動(dòng)，提高該無(wú)源器件的測(cè)量準(zhǔn)確度，制備出一種低擾動(dòng)、適用于自用空間微波電場(chǎng)精密測(cè)量的原子氣室，對(duì)于微波精密測(cè)量領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明旨在通過(guò)用人為設(shè)計(jì)的基于玻璃基底超材料代替原子氣室室壁的方法，改變氣室室壁材料的電磁性能，達(dá)到打破法布里-珀羅諧振的諧振條件的目的，進(jìn)行減少內(nèi)部電場(chǎng)與外部電場(chǎng)的誤差，提高測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種由電磁超材料構(gòu)成的低電磁擾動(dòng)原子氣室，其包括三組相對(duì)的平行表面，該低電磁擾動(dòng)原子氣室為六面體狀，包括具有理想電導(dǎo)體(PEC)特性上下平行的第一表面、第三表面，具有理想磁導(dǎo)體(PMC)特性前后平行的第二表面、第四表面，左右平行的對(duì)電磁波具有高透射性能第五表面，和與之相對(duì)的具有高吸收率特性(Radar-absorbing material)的第六表面。

其中，

所述的第六表面由一種基于玻璃基底的超材料構(gòu)成，該超材料由亞波長(zhǎng)厚度的、小型化、二維周期陣列單元構(gòu)成，對(duì)特定頻率或者某一帶寬頻率具有較高的吸收率，該吸收頻率可以通過(guò)對(duì)陣列單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，視為電磁吸波體(Absorber)。